1.激光切割的原理

激光切割是利用高功率密度的激光束扫描材料表面，在极短时间内将材料加热到几千至上万摄氏度，使材料熔化或汽化，再用高压气体将熔化或汽化的物质从切口中吹走，达到切割材料的目的，如图6-56所示。

图6-56 激光切割的原理

激光光束能够切割各种金属材料和非金属材料，由于被加工材料的性质不同，激光切割的方法和机理也有所不同，常用的激光切割方法主要有以下三种。

（1）激光热应力切割 在激光束的照射下，工件受热后产生明显的温度梯度，上面温度较高要发生膨胀，而内层温度较低要阻碍膨胀，结果在工件表层产生拉应力，内层产生径向的挤压应力，当这两种应力超过工件本身的抗拉强度时，便会在工件上出现裂纹，由于这种裂纹发展的结果，使得工件沿裂纹断开。由于是通过激光束加热进行高速、可控的切断，也称之为控制断裂切割。这种切割方法适用于玻璃、陶瓷、熔融石英、宝石、金刚石等硬而脆的非金属材料的切割。

（2）激光蒸发切割 使用高功率密度的激光束加热，避免热传导造成的熔化，于是部分材料汽化成蒸气消失，形成切口。当激光光束照射到被切割的材料表面，工件受热后温度迅速上升到汽化温度，材料大量汽化，形成高压蒸气以超音速向外喷射，在激光照射区内出现汽化小孔，气压急剧升高，迅速将切口中的材料大量汽化去除。在高压蒸汽高速喷射的过程中，同时带着切缝中的熔融材料向外逸出，直至将工件完全切断，利用这种机理来实现分离的切割称为激光蒸发切割。这种切割方法主要靠材料的大量汽化去除，需要较高的激光功率密度，一般应达到10⁸W/cm²。适合于切割某些硬脆材料，如木材、碳、陶瓷、玻璃、熔融石英、石棉水泥等。在切割金属材料时，一般来说激光蒸发切割多用于极薄金属材料的切割。由于这种切割方法需在真空中或特殊场合下进行，且使材料汽化所需要的激光功率密度要比其他熔化所需要的功率密度大约10倍左右，因此，此法很少采用。

（3）激光熔化切割 熔化切割是使入射的激光束功率密度超过某一值，从而使光束照射点处材料内部开始蒸发，形成孔洞，如图6-56所示。在这种激光切割装置中增设了与激光束同轴的辅助吹气系统，用与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料，并使激光束与材料沿一定轨迹做相对运动，从而形成一定形状的切口，可以大大提高激光切割的能力，减小激光功率密度。这种切割方法所需的激光功率密度仅为激光汽化切割法的1/10左右。常用的辅助气体有O₂、N₂、Ar、He、CO₂和压缩空气等，气压一般为0.15～0.3MPa（1.5～3atm）。辅助气体的作用是从切割沟槽吹走熔化的材料；吹走飞散的飞溅物以保护聚焦镜；当用氧气作为辅助气体时，氧化反应还能产生能量。辅助气体根据不同的切割材料使用的气体种类也不同。一般切割低碳钢时用氧气，切割不锈钢时较多用氮气。由于在激光熔化切割中使用的辅助气体不同，激光熔化切割又分为激光熔化吹气切割和激光反应气体切割。

1）激光熔化吹气切割。当激光光束照射到被切割的金属材料的表面，金属被迅速加热到熔点，并借喷射惰性气体，如氩、氦、氮等气体，将熔融金属从切缝中吹掉，而实现分离的切割称为激光熔化吹气切割。激光熔化吹气切割多用于纸、布、木材、塑料、橡皮以及岩石、混凝土等非金属材料的切割，由于非金属材料一般都不易氧化，且对10.6μm波长的激光吸收率特别高，传热系数极低，因而使其熔化、蒸发时所需要的能量较小，有利于CO₂激光进行切割。这种切割方法也可用于切割不锈钢，易氧化的钛、铝及铝合金等金属材料。

2）激光反应气体切割。当激光光束照射到被切割金属材料的表面，金属材料被迅速加热到熔点以上，以纯氧或以压缩空气作为喷射气体，此时熔融金属即与氧气产生激烈的氧化作用，其反应式如下：

3Fe+2O₂=Fe₃O₄+1116.7kJ氧化反应所放出的大量热量，又加热了下一层金属，并继续被氧化，如此重复而将钢板割穿。此时按一定轨迹移动割炬，并借氧气的压力将氧化物从切口中吹掉而实现分离的切割称为激光反应气体切割。

由于氧气具有助燃作用，如果采用氧气作为辅助气体，使得被切割的材料在氧气中燃烧，可大大增强激光切割的能力，在切口中形成流动性的液态熔渣，这些熔渣又被高速氧气流连续不断地喷射清除。由于氧气在激光切割过程中产生放热反应，所以这种切割方法称为激光反应熔化切割法，也可称为激光火焰切割法。这种切割方法比普通的激光汽化切割法和激光熔化切割法的威力大得多，它所需要的激光功率密度仅为激光汽化切割法的1/20左右，因而这种切割方法成本低，效率高，应用最广泛。适合于切割各种金属材料，以及某些可熔化的非金属材料。但在切割某些金属材料时，为防止切口的氧化，则应采用惰性气体作为辅助气体，而不能采用氧气。另外，对于大多数含碳的非金属材料，在激光切割过程中，为防止切口出现碳化现象，也不能采用氧气作为辅助气体，而应选择惰性气体作为辅助气体。

激光反应气体切割主要用于金属材料的切割，如碳钢、钛钢以及热处理钢等易氧化的金属材料。氧气的作用不仅是给金属助燃，更重要的是提高了切割速度和效率，从而使切口狭小，热影响区减小，提高了切割质量和精度，借助氧气的作用还可以切割较厚的工件。

2.激光切割的特点

（1）激光切割的优点 激光切割是当前世界上先进的切割工艺。它的最大优点是由于激光光斑小，能量集中，所以切割的切口小、无挂渣，几乎没有热变形，切割面光滑。总体而言，激光切割工艺与其他切割工艺，如火焰切割、等离子弧切割、高压水射流切割等相比具有以下优点：

1）非接触式切割。激光切割是利用聚焦后的激光照射物体表面进行加工的，因而为非接触加工，激光切割头的机械部分与被切割的材料无接触，在工作中不会对工作表面造成划伤；切割过程噪声低、振动小、无污染，并且工件没有残余机械应力。

2）激光切割的质量好、效率高。由于激光光束的聚焦性好，即焦斑小，激光切割的加热面积只有氧乙炔焰的1/10～1/1000，所以氧化反应的范围与氧乙炔焰切割相比极其集中，促进了氧化反应，因而切口细小，可以进行精密切割，工件按程序切割尺寸精度高。切口宽度窄（一般为0.1～0.5mm）、精度高（一般孔中心距误差0.1～0.4mm、轮廓尺寸误差小（0.1～0.5μm）、切口表面粗糙度值小（一般为Ra12.5～25μm），切口一般不需要再加工即可焊接；切口无毛刺、垂直度好，切口不变形、无热影响区。

3）切割效率高。由于激光的传输特性，激光切割机上一般配有多台数控工作台，整个切割过程可以全部实现数控。结合数控装置，采用CAD/CAM软件编程时，整体效率很高。操作时，只需改变控制程序，就可适用不同形状零件的切割，既可进行二维切割，又可实现三维切割。

4）激光切割速度快，激光束光点小、能量集中，切割速度快。如对25.4mm厚的钛板的切割速度每分钟可达5m以上。对6mm厚的钛板，每分钟切割速度可达16m左右。例如采用2kW激光功率，8mm厚的碳钢切割速度为1.6m/min；2mm厚的不锈钢切割速度为3.5m/min。切割速度主要由激光功率密度决定，但如果喷吹气体不同也会直接影响切割速度，切割同样厚度的钢板，喷吹氩气的切割速度几乎比喷吹氧气的切割速度小50%左右。

由于激光切割与数控机床、机器人相连接，所以加工清洁安全、无污染、劳动强度低。大大改善了操作人员的工作环境，可以整版编排套裁切割，省工节料。

（2）激光切割的缺点 虽然激光切割有着传统工艺不可比拟的优越性，但也有制造成本高、对外围环境要求较高的缺点。

1）成本高。在工程机械行业，传统的零件下料加工主要是采用火焰切割和等离子弧切割。火焰切割的零件角度小，但是变形大，而且切割速度慢，效率低。等离子弧切割的速度快，效率高，但是切割断面有较大的倾角。CO₂激光切割的切割质量符合工程机械的要求，但是其设备维护复杂，使用成本高。光纤激光切割机的出现，恰好满足了这种需求。等离子弧切割与激光切割工艺对比见表6-12。表6-13是激光切割、氧乙炔切割和等离子弧切割方法的切割质量对比（切割材料为6mm厚的低碳钢板）。表6-14是CO₂、光纤激光切割、氧乙炔气割和等离子弧切割机的综合性能比较。(www.daowen.com)

表6-12 等离子弧切割与激光切割工艺对比

表6-13 激光切割、氧乙炔切割和等离子弧切割方法的切割质量比较

表6-14 几种切割机的综合性能比较

以切割10mm普通低碳钢板为例，等离子弧切割与激光切割两种切割工艺成本分析见表6_-15。根据表6-15中的数据，按设备年时基数3860h计算，等离子弧切割机的运行成本为97.65元/h，激光切割机的运行成本为263.73元/h。按精细等离子弧切割和4kW激光的切割速度分别为3.4m/min和1.5m/min计算，精细等离子弧切割成本为0.48元/m，激光切割成本为2.9元/m。

用激光切割一般切割方法难以切割的金属时，其成本比等离子弧切割可降低75%。如用1kW的CO₂气体激光切割石英管时，成本比用金刚石砂轮切割低40%。同时，由于激光的光斑极小，切口狭小，因此比其他切割方法成本低得多。

表6-15 等离子弧切割与激光切割成本比较

注：上述成本分析中未考虑人工成本、管理费用、利税等因素。

2）对外围环境要求较高。安装在激光传送途中的光学部件（特别是透镜）的清洁度，会对光束的质量产生很大的影响，成为加工不良的原因；进行金属材料切割时，被切割工件需要涂光束吸收剂来防止激光反射，所以切割后增加了除去吸收剂的工序；消耗零部件的价格高；切割厚板时，被切割工件表面光束吸收状态的变化会影响切割质量，所以需要保护好待切割表面，不使其表面生锈或过于脏乱等。

3.激光切割的应用

激光切割除可用于切割碳钢、不锈钢等材料外，还可切割各种高熔点材料、耐热合金和超硬合金等特种金属材料以及半导体材料、非金属材料和复合材料，其切割应用范围很广。尤其在薄板切割、切割效率要求高和热变形要求小的情况下，激光切割具有突出的优越性。激光切割以中薄板为主，以4kW激光为例，最大可切割25mm左右普通碳钢。激光切割速度快、加工精度高、切口狭窄、热影响区小、切口光滑、切割板材变形小，切割表面无损伤，一般不需后续加工。

激光加工在钣金加工中已取代传统的等离子弧切割和冲床，成为金属切割领域的领先者。对激光切割设备的要求不仅是灵活性和加工质量，同时还要提供高速切割解决方案以满足大批量生产的需求。激光切割工艺作为“剪切-冲”的替代工艺出现，具有灵活、柔性的特点。但其成本较高，故常应用在异形（或形状复杂）工件制造上。

激光切割已被广泛应用于机床制造、工程机械、电气开关柜制造、电梯制造、粮食机械、纺织机械、食品机械、机车汽车、造船、农林机械、石油机械、航空航天、环保设备、电器制造、包装印刷等各行各业，用于钣金下料及机械零部件的切割制造。

三维激光切割主要用于汽车行业覆盖件的切割、焊接以及航空航天、特殊三维零件的制造。在汽车生产过程中，普遍先采用三维激光切割机对覆盖件、门板等精确切边，再采用激光焊接机械手高质量自动焊接，不仅确保了产品质量，而且生产效率极高。在样车的开发和小批量生产中，高度柔性的激光三维切割取代大量的冲孔和修边模具，不仅节省模具，新车型的开发周期也大为缩短。在欧洲，几乎所有汽车制造厂在汽车研制开发和生产中均采用激光加工。实际上，激光制造技术在汽车制造中应用的广度和深度已经成为汽车工业先进性的重要标志。

激光切割机正在向大功率、大幅面、厚板材方向发展。以造船业为例，美国、欧盟、日本、韩国等先进国家和地区的船舶制造普遍采用大功率CO₂激光切割技术。国际上已经出现了“精密造船”的概念。切割焊接是造船行业最主要的加工工艺。由于高精度的要求，尤其是对特殊材料的甲板和船体材料，许多国外大型造船厂普遍采用大幅面厚板材激光切割机。国内造船企业针对特种用途的船艇，采用激光切割已经成为一种必需的加工手段。

随着我国铁路建设、公路、水利、水电、能源、矿山、建筑业等方面重大工程的推进，大幅面厚钢板激光切割机也将在我国工程机械行业得到推广应用。

高端特种数控激光切割机，如大功率光纤激光器，在航空航天行业，对于钛合金、铝合金等特种材料加工，激光切割焊接是最佳加工方式，具有不可替代的作用。